電力MOS場效應晶體管

小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?/p>

電力MOSFET大都采用垂直導電結(jié)構，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。

按垂直導電結(jié)構的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結(jié)構的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。

這里主要以VDMOS器件為例進行討論。

電力MOSFET的工作原理（N溝道增強型VDMOS）

截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。

P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。

導電：在柵源極間加正電壓UGS

當UGS大于UT時，P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導電 。

(1)靜態(tài)特性

漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。

ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs。

(2)MOSFET的漏極伏安特性（即輸出特性）：

截止區(qū)（對應于GTR的截止區(qū)）

飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)）

非飽和區(qū)（對應GTR的飽和區(qū)）

工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。

漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時導通。

通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。

(3)動態(tài)特性

——用柵極電壓來控制漏極電流

輸入阻抗高

驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。

開關速度快，工作頻率高。

熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。

電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置 。

按導電溝道可分為P溝道和N溝道。

耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道。

增強型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道。

電力MOSFET主要是N溝道增強型。

開通延遲時間td(on)

上升時間tr

開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和

關斷過程

關斷延遲時間td(off)

下降時間tf

關斷時間toff——關斷延遲時間和下降時間之和

MOSFET的開關速度

MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系。

可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關速度。

不存在少子儲存效應，關斷過程非常迅速。

開關時間在10~100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。

場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。

開關頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。

電力MOSFET的主要參數(shù)

除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：

(1)漏極電壓UDS——電力MOSFET電壓定額

(2)漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——電力MOSFET電流定額

(3)柵源電壓UGS—— UGS?>20V將導致絕緣層擊穿 。

(4)極間電容——極間電容CGS、CGD和CDS

另一種介紹說明：

場效應管（Fjeld Effect Transistor簡稱FET ）是利用電場效應來控制半導體中電流的一種半導體器件，故因此而得名。場效應管是一種電壓控制器件，只依靠一種載流子參與導電，故又稱為單極型晶體管。與雙極型晶體三極管相比，它具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、功耗小、制造工藝簡單和便于集成化等優(yōu)點。

場效應管有兩大類，結(jié)型場效應管JFET和絕緣柵型場效應管IGFET，后者性能更為優(yōu)越，發(fā)展迅速，應用廣泛。圖Z0121 為場效應管的類型及圖形、符號。

一、結(jié)構與分類

圖 Z0122為N溝道結(jié)型場效應管結(jié)構示意圖和它的圖形、符號。它是在同一塊N型硅片的兩側(cè)分別制作摻雜濃度較高的P型區(qū)（用P 表示），形成兩個對稱的PN結(jié)，將兩個P區(qū)的引出線連在一起作為一個電極，稱為柵極（g），在N型硅片兩端各引出一個電極，分別稱為源極（s）和漏極（d）。在形成PN結(jié)過程中，由于P 區(qū)是重摻雜區(qū)，所以N一區(qū)側(cè)的空間電荷層寬度遠大

二、工作原理

N溝道和P溝道結(jié)型場效應管的工作原理完全相同，只是偏置電壓的極性和載流子的類型不同而已。下面以N溝道結(jié)型場效應管為例來分析其工作原理。電路如圖Z0123所示。由于柵源間加反向電壓，所以兩側(cè)PN結(jié)均處于反向偏置，柵源電流幾乎為零。漏源之間加正向電壓使N型半導體中的多數(shù)載流子-電子由源極出發(fā)，經(jīng)過溝道到達漏極形成漏極電流ID。

1．柵源電壓UGS對導電溝道的影響（設UDS＝0）

在圖Z0123所示電路中，UGS ＜0，兩個PN結(jié)處于反向偏置，耗盡層有一定寬度，ID=0。若|UGS| 增大，耗盡層變寬，溝道被壓縮，截面積減小，溝道電阻增大；若|UGS| 減小，耗盡層變窄，溝道變寬，電阻減小。這表明UGS控制著漏源之間的導電溝道。當UGS負值增加到某一數(shù)值VP時，兩邊耗盡層合攏，整個溝道被耗盡層完全夾斷。（VP稱為夾斷電壓）此時，漏源之間的電阻趨于無窮大。管子處于截止狀態(tài)，ID＝0。

2．漏源電壓UGS對漏極電流ID的影響（設UGS＝0）

當UGS＝0時，顯然ID＝0；當UDS＞0且尚小對，P N結(jié)因加反向電壓，使耗盡層具有一定寬度，但寬度上下不均勻，這是由于漏源之間的導電溝道具有一定電阻，因而漏源電壓UDS沿溝道遞降，造成漏端電位高于源端電位，使近漏端PN結(jié)上的反向偏壓大于近源端，因而近漏端耗盡層寬度大于近源端。顯然，在UDS較小時，溝道呈現(xiàn)一定電阻，ID隨UDS成線性規(guī)律變化（如圖Z0124曲線OA段）；若UGS再繼續(xù)增大，耗盡層也隨之增寬，導電溝道相應變窄，尤其是近漏端更加明顯。

由于溝道電阻的增大，ID增長變慢了（如圖曲線AB段），當UDS增大到等于|VP|時，溝道在近漏端首先發(fā)生耗盡層相碰的現(xiàn)象。這種狀態(tài)稱為預夾斷。這時管子并不截止，因為漏源兩極間的場強已足夠大，完全可以把向漏極漂移的全部電子吸引過去形成漏極飽和電流IDSS （這種情況如曲線B點）：當UDS＞|VP|再增加時，耗盡層從近漏端開始沿溝道加長它的接觸部分，形成夾斷區(qū) 。

由于耗盡層的電阻比溝道電阻大得多，所以比|VP|大的那部分電壓基本上降在夾斷區(qū)上，使夾斷區(qū)形成很強的電場，它完全可以把溝道中向漏極漂移的電子拉向漏極，形成漏極電流。因為未被夾斷的溝道上的電壓基本保持不變，于是向漏極方向漂移的電子也基本保持不變，管子呈恒流特性（如曲線BC段）。但是，如果再增加UDS達到BUDS時（BUDS稱為擊穿電壓）進入夾斷區(qū)的電子將被強電場加速而獲得很大的動能，這些電子和夾斷區(qū)內(nèi)的原子碰撞發(fā)生鏈鎖反應，產(chǎn)生大量的新生載流予，使ID急劇增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象（如曲線CD段）。

由此可見，結(jié)型場效應管的漏極電流ID受UGS和UDS的雙重控制。這種電壓的控制作用，是場效應管具有放大作用的基礎。

三、特性曲線

1．輸出特性曲線

輸出特性曲線是柵源電壓UGS取不同定值時，漏極電流ID 隨漏源電壓UDS 變化的一簇關系曲線，如圖Z0124所示。由圖可知，各條曲線有共同的變化規(guī)律。UGS越負，曲線越向下移動）這是因為對于相同的UDS，UGS越負，耗盡層越寬，導電溝道越窄，ID越小。

由圖還可看出，輸出特性可分為三個區(qū)域即可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。

◆可變電阻區(qū)：預夾斷以前的區(qū)域。其特點是，當0＜UDS＜|VP|時，ID幾乎與UDS呈線性關系增長，UGS愈負，曲線上升斜率愈小。在此區(qū)域內(nèi)，場效應管等效為一個受UGS控制的可變電阻。

◆恒流區(qū)：圖中兩條虛線之間的部分。其特點是，當UDS＞|VP|時，ID幾乎不隨UDS變化，保持某一恒定值。ID的大小只受UGS的控制，兩者變量之間近乎成線性關系，所以該區(qū)域又稱線性放大區(qū)。

◆擊穿區(qū)：右側(cè)虛線以右之區(qū)域。此區(qū)域內(nèi)UDS＞BUDS，管子被擊穿，ID隨UDS的增加而急劇增加。

2．轉(zhuǎn)移特性曲線

當UDS一定時，ID與UGS之間的關系曲線稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。實驗表明，當UDS＞|VP|后，即恒流區(qū)內(nèi)，ID 受UDS影響甚小，所以轉(zhuǎn)移特性通常只畫一條。在工程計算中，與恒流區(qū)相對應的轉(zhuǎn)移特性可以近似地用下式表示：Id=Idss(1-Ugs/Vp)(1-Ugs/Vp)

式GS0127中VP≤UGS≤0，IDSS是UGS＝0時的漏極飽和電流。

功率MOS場效應晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET)，簡稱功率MOSFET(Power MOSFET)。結(jié)型功率場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管(Static Induction Transistor--SIT)。其特點是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，開關速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

功率MOS場效應晶體管的種類:按導電溝道可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為;耗盡型;當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道，增強型;對于N(P)溝道器件，柵極電壓大于(小于)零時才存在導電溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強型。

功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構和電氣符號如圖1所示;其導通時只有一種極性的載流子(多子)參與導電，是單極型晶體管。導電機理與小功率mos管相同，但結(jié)構上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷β蔒OSFET大都采用垂直導電結(jié)構，又稱為VMOSFET(Vertical MOSFET)，大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。功率MOSFET為多元集成結(jié)構，如國際整流器公司(International Rectifier)的HEXFET采用了六邊形單元;西門子公司(Siemens)的SIPMOSFET采用了正方形單元;摩托羅拉公司(Motorola)的TMOS采用了矩形單元按"品"字形排列。